Verbetering van thermoelektrische prestaties: siliciumsubstraten met hoog gedopte poreuze Si via metaal-ondersteunde chemische etching

Samenvatting

Poreus silicium (Si) is een materiaal met lage thermische geleiding, dat hoog potentieel heeft voor thermoelektrische apparaten. Echter, de lage uitvoerprestaties van poreus Si belemmeren de ontwikkeling van thermoelektrische prestaties door lage elektrische geleiding. De grote contactweerstand van niet-lineair contact tussen poreus Si en metaal is een van de redenen voor de reductie van elektrische geleiding. In dit artikel werden p- en n-type poreus Si gevormd op Si-substraat door metaal-ondersteunde chemische etching. Om de contactweerstand te verlagen, worden p- en n-type spin-on dopanten gebruikt om een onzuiverheidselement in p- en n-type poreus Si oppervlak te doperen, respectievelijk. Vergeleken met het Si-substraat met ongedopte poreuze monsters, kan ohmisch contact verkregen worden, en de elektrische geleiding van gedopte p- en n-type poreus Si kan verbeterd worden tot respectievelijk 1160 en 1390 S/m. Vergeleken met het Si-substraat, dalen de specifieke contactweerstanden voor de gedopte p- en n-type poreus Si laag tot 1,35 en 1,16 mΩ/cm², respectievelijk, door de dragersconcentratie te verhogen. Echter, de toename van de dragersconcentratie induceert de daling van de Seebeck-coëfficiënt voor p- en n-type Si-substraten met gedopte poreuze Si-monsters tot 491 en 480 µV/K, respectievelijk. Het vermogensfactor is gerelateerd aan de Seebeck-coëfficiënt en elektrische geleiding van thermoelektrisch materiaal, wat een vitale factor is die de uitvoerprestaties evalueert. Daarom, ondanks dat de Seebeck-coëfficiëntwaarden van Si-substraten met gedopte poreuze Si-monsters dalen, kan de gedopte poreuze Si-laag de vermogensfactor verbeteren vergeleken met ongedopte monsters door de verbetering van de elektrische geleiding, wat de ontwikkeling ervan voor thermoelektrische toepassing vergemakkelijkt.

Inleiding

Tegenwoordig wordt thermoelektrische energieomzetting, die verspilde warmte kan omzetten in elektrische energie, beschouwd als een belangrijke technologie om de druk van energietekort te verlichten door de energiegebruiksefficiëntie te verhogen [1]. Vooral zijn diverse sensortoepassingen hoog in vraag voor de toekomstige informatiecommunicatiesamenleving [2, 3]. Microfabricatietechnologieën gebaseerd op thermoelektrische materialen zijn bestudeerd om hoog-efficiënte en compacte thermoelektrische apparaten te realiseren [4,5,6]. De thermoelektrische prestaties van thermoelektrische materialen worden geëvalueerd door de figuur van verdienste ZT = σS²T/κ, waar σ elektrische geleiding is, S Seebeck-coëfficiënt, T absolute temperatuur en κ thermische geleiding [7]. De vermogensfactor, σS², is de maximaal gegenereerde vermogensuitgang van een materiaal en wordt dus gebruikt om de uitvoerprestaties te schatten.

Algemene thermoelektrische materialen, zoals Bi₂Te₃ en Sb₂Te₃, bevatten zeldzame en giftige materialen, wat grootschalige productie bemoeilijkt. Si wordt beschouwd als een van de alternatieve kandidaten om toe te passen op thermoelektrische apparaten omdat het rijk is en wijd gebruikt wordt in de halfgeleiderindustrie [8]. Echter, Si is geen ideaal thermoelektrisch materiaal door zijn hoge thermische geleiding (~ 150 W/mK) en lage ZT waarde (0,006) [9]. Recentelijk is bewijs geleverd dat genanostructureerd Si de thermische geleiding kan verlagen tot 1,6 W/mK en de ZT waarde kan verbeteren tot 0,6 bij 300 K [10]. Thermoelektrische generatoren gebaseerd op Si-nanodraden zijn recentelijk met succes gefabriceerd [11, 12]. Echter, de prestaties van die thermoelektrische generatoren zijn nog steeds laag omdat de Si-nanodraad-arrays moeilijk de uniforme diameter en gladde oppervlakte kunnen garanderen, wat sterk gerelateerd is aan de ZT waarde.

Poreus Si, als een van de Si-nanostructuren, wordt beschouwd als een van de kandidaten voor thermoelektrische materialen vanuit theoretische en experimentele werken [13,14,15]. Echter, onvoldoende uitvoerprestaties van poreus Si beperken de ontwikkeling ervan voor thermoelektrische apparaten door de lage elektrische geleiding. Veel werken vonden dat het elektrische contact tussen een metaal en het poreus Si niet-lineair gedrag vertoont door de potentieelenergiebarrière tussen metaal en poreus Si [16, 17]. De reden is dat de grote oppervlaktestaten op poreus Si en het oppervlakte vangende effect de uitputting van de dragersconcentratie op het oppervlak van het poreus Si veroorzaken [18]. Het is een uitdaging voor het fabriceren van thermoelektrische generatoren omdat een grote parasitair verlies ontstaat door de elektrische weerstand aan de interface [19]. Bovendien verlaagt deze toename van de barrière ook de schijnbare elektrische geleiding van poreus Si tot diverse ordes van grootte vergeleken met die van bulk Si, wat resulteert in lage vermogensfactor [20].

Onzuiverheidsdopant met behulp van een spin-on dopant (SOD) is een oppervlaktemodificatiemethode om de elektrische geleiding te verhogen door de dragersconcentratie op het Si-oppervlak te verhogen. In tegenstelling tot ionenimplantatie, is onzuiverheidsdopant met SOD een minder schadelijk proces [21]. Sommige werken hebben aangegeven dat een Si-nanodraad gedopt met SOD een hoge elektrische geleiding vertoont [22, 23]. Boor et al. vonden dat de elektrische geleiding van een poreus Si-film gevormd door de elektrochemische methode kan worden verbeterd na doping met SOD [24]. Echter, het elektrische contactkenmerk van poreus Si gedopt met SOD is niet onderzocht in eerdere studies en is een belangrijke parameter voor thermoelektrische apparaten. Bovendien is het onderzoek naar het effect van SOD-doping op de uitvoerprestaties van Si-substraat met poreuze Si-laag zeldzaam. Anders dan de elektrochemische methode, gebruikten we metaal-ondersteunde chemische etching (MACE) om poreus Si te vormen. MACE is een eenvoudige en massaproduceerbare methode met een natte etching-techniek, die diverse nanostructuren kan synthetiseren, inclusief Si-nanodraad en poreus Si [25,26,27]. Bovendien kan het rechtopstaande nanoporen vormen met een snellere etching-snelheid dan die van andere methoden.

In deze studie werden p- en n-type Si-substraat met poreuze Si-lagen gevormd door MACE, en de Seebeck-coëfficiënt, elektrische geleiding en elektrisch contact werden geëvalueerd op de poreuze Si-lagen gedopt met verschillende typen SOD. Ten eerste werden de Seebeck-coëfficiënten van p- en n-type poreus Si gevormd door MACE onderzocht en de dragersconcentratie van de gedopte laag met SOD geëvalueerd om het dopingeffect te verifiëren. Vervolgens werden de elektrische geleidingen en contactkenmerken van Si-substraten met gedopte poreuze Si-lagen gemeten met behulp van stroom-spanningskarakteristieken. Bovendien werd het elektrisch contact tussen metaal en gedopte poreuze Si-laag geëvalueerd in termen van specifieke contactweerstand. Ten slotte werden de vermogensfactoren van p- en n-type Si-substraten met gedopte poreuze Si-lagen geëvalueerd en vergeleken met ongedopte monsters.

Methoden

(100)-georiënteerde p-type (10,0 mΩ-cm) en n-type (10,0 mΩ-cm) Si-substraten met een grootte van 2 × 2 cm² werden achtereenvolgens gereinigd in aceton, ethanol, gedemineraliseerd water en piranha-oplossing (H₂SO₄:H₂O₂ in het volumeverhouding van 2:1). Vervolgens werden de p- en n-type poreuze Si-lagen op de Si-substraten gevormd door het MACE-proces als volgt. Ten eerste werden Si-substraten gedompeld in een mengsel van 0,14 M HF en 5 × 10^–4 M AgNO₃ oplossingen voor 7 min bij kamertemperatuur. In deze procedure werden Ag-nanodeeltjes, met een diameter variërend van 80 tot 180 nm, op het Si-oppervlak gedeponeerd, zoals getoond in Fig. 1. Vervolgens werden Si-substraten gedeponeerd met Ag-nanodeeltjes gedompeld in een etching-oplossing bestaande uit 25 ml van 49% HF-oplossing, 10 ml van 35% H₂O₂ oplossing en 5 ml van gedemineraliseerd water in een volumeverhouding van 5:2:1 bij kamertemperatuur. De etching-reactie verloopt met elektrische lokale anodisatie en oxideverwijderingsprocessen. De Ag-nanodeeltjes oxideren het Si-oppervlak direct aan de interface door lokale anodisatie, en het oxide wordt geëtst door HF in de oplossing. Naarmate de etching voortschrijdt, penetreren de Ag-nanodeeltjes in Si voor verdere etching. Daarbij wordt een poreuze Si-laag gevormd. Het wordt gerapporteerd dat de poreuze vormingsnelheid voor p-type Si langzamer is dan die voor n-type Si [28]. De dikte van poreus Si wordt gecontroleerd door etching-tijd. In onze experimenten is de etching-tijd van p-type Si geselecteerd om 2 min 40 s te zijn, terwijl die van n-type Si wordt verwerkt voor 2 min om ongeveer 20 µm poreus Si-film te verkrijgen. Ten slotte werden de Si-substraten gereinigd door 10% azijnzuur om de Ag-nanodeeltjes te verwijderen, gevolgd door gedemineraliseerd water reiniging. De porositeit van de poreuze Si-laag wordt als volgt gedefinieerd,

$$\text{Porositeit} = \frac{m_{1} - m_{2}}{pv}$$ (1)

waarbij m₁ de massa is van het initiële monster, m₂ de massa is van het monster na vorming van de poreuze Si-laag, p, v de dichtheid en volume is van de oorspronkelijke geëtste einkristallijne Si-laag. De morfologieën van de poreuze Si-film werden waargenomen door veldemissie scanning elektronenmicroscopen (FE-SEM).

Figuur 2a, b toont de dwarsdoorsnedeafbeeldingen van p- en n-type poreuze Si-films gevormd door MACE. De dikte van p- en n-type poreuze Si-films is ongeveer 20 µm, aangepast door de etching-tijd. De gemiddelde poriendiameters van p- en n-type poreuze Si-films zijn respectievelijk 130 nm en 125 nm, en de porositeiten van p- en n-type poreuze Si-films zijn respectievelijk 35% en 31%.

De onzuiverheden van boor of fosfor werden in de poreuze Si-gelaagd gedopt om respectievelijk p-type of n-type Si-laag te vormen, met behulp van een SOD (Filmtronics Inc. USA). SOD werd op het oppervlak gecoat door spindoopcoating bij 3000 rpm gedurende 30 s. Vervolgens werd het monster gebakken bij 110 °C gedurende 15 min om de SOD-film te verharden. Daarna werden de monsters in een kwarts buisoven geplaatst en geanneald bij 1100 °C gedurende 3 uur in N₂ omgeving om de dopantatomen in poreus Si te laten diffunderen. Ten slotte werden de monsters gedompeld in een HF-oplossing om SiO₂ te verwijderen en het oppervlak op te schonen. Om het dopingeffect op de poreuze Si-laag te valideren, werd de dragersconcentratie van ongedopte en gedopte poreuze Si-laag gemeten door een Hall-effect meetssysteem [17].

Twee metaalelektrodepatronen werden apart gevormd op de poreuze Si-film en de achterzijde van het Si-substraat voor de meting van de dwarsvlak Seebeck-coëfficiënt van de monsters bij kamertemperatuur, zoals getoond in Fig. 3a. De poreuze Si-laag werd gevormd op het halve oppervlak van de Si-wafer, en het overgebleven deel van Si werd geëtst op 30 µm diepte met behulp van diepe reactieve ionen etching (RIE). Vervolgens werd een 1-µm-dikke SiO₂ film op het oppervlak gedeponeerd door tetraethoxysilaan chemische dampafstelling (TEOS-CVD) om de warmteverlies naar de omgeving te verminderen. Twee 1 × 1 mm² vierkante contactvensters werden op de SiO₂ film gevormd. Daarna werden twee 1 × 2 mm²-rechthoekige 300-nm-dikke Ti-Au elektroden gevormd door elektronenbundel verdamping voor contactpads. Ten slotte werden twee commerciële Peltier-elementen in contact gebracht met het Si-substraat voor het creëren van een temperatuursgradiënt in de in-plane richting. De temperaturen T₁ en T₂ bij twee elektroden werden gemeten door thermocouples en het temperatuurverschil ΔT verkregen. De gegenereerde spanning ΔV werd gemeten door een electrometer. De Seebeck-coëfficiënt van het monster werd verkregen uit de onderstaande vergelijking:

$$S = - \frac{\Delta V}{\Delta T}$$ (2)

De stroom (I)–spanning (V) kenmerken werden gemeten voor p-type bulk Si, n-type bulk Si en gedopte/ongedopte poreuze Si met behulp van laterale en verticale meetconfiguraties, zoals getoond in Fig. 3b, c. Drie 200-nm-dikke Al elektroden ('1,' '2,' '3') met een grootte van 0,6 × 0,6 mm² werden op de bovenzijde van bulk Si monsters gevormd en ook een Al elektrode ('4') werd op de achterzijde gevormd, zoals getoond in Fig. 3b. Om het elektrisch contact te maken, werd een koperen draad op de elektrode '4' gelijmd met zilverpasta. De centrum-tot-centrum afstand tussen Al elektroden '12,' '23,' '13' waren respectievelijk 0,2, 0,3, 0,56 cm. De bulk Si monsters werden geanneald bij 450 ℃ gedurende 30 min om het ohmische contact tussen Al en Si te bevestigen. Om de specifieke contactweerstand te meten, werden de laterale weerstanden tussen drie elektroden gemeten met een hoge-gevoelige proef. Om de verticale elektrische geleiding van het bulk Si-substraat te meten, werd de elektrische geleiding tussen Al elektroden '2'–'4' gemeten. Om de elektrische eigenschappen van de poreuze Si monsters met en zonder doping te meten, werd een 2-µm-dikke SiO₂ laag gedeponeerd op de poreuze Si-film door tetraethyl orthosilicaat CVD (TEOS-CVD) om mechanische schade aan de poreuze Si-laag van de elektrische proef te voorkomen. Drie 0,6 × 0,6 mm² SiO₂ vensters werden gevormd door de SiO₂ laag deels te etsen met een gebufferde HF om elektrisch contact te maken. Vervolgens werden drie 1,0 × 0,6 mm² Al elektroden gevormd op de SiO₂ laag samen met de SiO₂ vensters, zoals getoond in Fig. 3c. zo kan de proef fysiek contact maken met de uitgebreide Al elektroden om elektrisch contact te maken met de poreuze Si-film.

Resultaten en discussie

Figuur 4 toont de gegenereerde spanning versus temperatuurverschil op het Si-substraat met gedopte en ongedopte poreuze Si monsters. De berekende Seebeck-coëfficiëntwaarden van verschillende monsters werden getoond in Tabel 1. De Seebeck-coëfficiënt voor de bulk p en n-type Si zijn respectievelijk 450 en 485 µV/K, en de Seebeck-coëfficiënt voor p en n-type Si-substraten met het ongedopte poreuze Si monster toont hogere waarden van respectievelijk 696 en 650 µV/K. De reden van het Seebeck-coëfficiëntverschil is te wijten aan het energie filtereffect en oppervlakte verstrooiingseffect [29,30,31]. Na het dopingsproces daalt de Seebeck-coëfficiënt van p en n type Si-substraten met de gedopte poreuze Si monsters tot 491 en 480 µV/K vanwege de toename van de dragersconcentratie op de gedopte poreuze Si-lagen. Echter, voor het hele gedopte poreuze Si monster is de gedopte poreuze Si-laag dun en het overgebleven deel van de poreuze Si-laag is nog steeds ongedopt. Daarom, zelfs als de dragersconcentratie van de gedopte poreuze Si-laag hoger is dan die van bulk Si, is de Seebeck-coëfficiënt van het hele gedopte poreuze Si monster (gedopte poreuze Si-laag + ongedopte poreuze Si-laag) dicht bij die in de bulk Si monsters.

In het algemeen is de Seebeck-coëfficiënt samengesteld uit het ladingdiffusie deel S_d en fonon sleep deel S_ph. Omdat alle monsters hoog gedopt zijn (~ 10¹⁸) en de metingen bij kamertemperatuur worden genomen, is de S_ph waarde veel kleiner dan S_d, wat resulteert in S ≈ S_d [32]. Dus kan de Seebeck-coëfficiënt ook als volgt worden getoond [33],

$$S = \frac{8\pi^{2} k_{B}^{2} T}{3qh^{2}} m^{*} \left( \frac{\pi}{3n} \right)^{2}$$ (3)

waarbij k_B de Boltzmann constante is, h de Planck constante, T de absolute temperatuur, m* de effektieve massa van de toestand, q de lading van de elektronen en n de dragersconcentratie. Daarom is dragersconcentratie n een belangrijke factor die de waarde van de Seebeck-coëfficiënt bepaalt.

Om de relatie tussen de dragersconcentratie en Seebeck-coëfficiënt beter te begrijpen, werd de dragersconcentratie van p en n-type gedopte en ongedopte poreuze Si-lagen gemeten door Hall-metingen. De dragersconcentratie van p en n-type ongedopte poreuze Si-lagen blijken respectievelijk 1,3 × 10¹⁸ en 1,35 × 10¹⁸ cm⁻³ te zijn, terwijl de dragersconcentratie van p- en n-type gedopte poreuze Si-laag toegenomen is tot 4,6 × 10¹⁹ en 2,3 × 10¹⁹ cm⁻³ na SOD-doping. Als referentie, de dragersconcentratie van p- en n-type Si-substraat zijn respectievelijk 2,3 × 10¹⁹ en 9,0 × 10¹⁸ cm⁻³. De Seebeck-coëfficiënt van Si-substraat met gedopte poreuze Si monsters daalt door de toename van dragersconcentratie veroorzaakt door gedopte poreuze Si-laag.

Figuur 5a toont de I–V curves van p- en n-type bulk Si-lagen langs de waferdikte richting. De totale weerstanden van p- en n-type bulk Si-lagen zijn respectievelijk 1,12 en 0,65 Ω, terwijl de geschatte interne weerstand van p- en n-type bulk Si beide slechts 0,08 Ω is; dus worden de totale weerstanden van p- en n-type bulk Si-lagen voornamelijk bepaald door contactweerstand. Aangezien p- en n-type bulk Si-substraten allebei hoog gedopt zijn (~ 10¹⁹), zou het elektrisch contact tussen de Al-pad en Si-substraat ohmisch contact zijn. Echter, I–V kenmerken van p- en n-type Si-substraten met ongedopte poreuze Si-lagen vertonen een niet-lineaire curve, zoals getoond in Fig. 5b. In dit geval definieerden we de elektrische geleiding van deze monsters uit de gradiënt van de I–V curve bij een specifieke spanning van 1 V. Een van de redenen voor dit niet-lineaire gedrag is dat de oppervlakte-tot-volume verhouding toeneemt in nanostructuren en een groot aantal oppervlakte-energiestaten worden gevormd op het oppervlak van ongedopte poreuze Si-lagen, dus wordt de niet-lineariteit veroorzaakt door kwantumbeperkingseffect [34]. In tegenstelling tot bulk Si, vereisen elektronen meer energie om de Al-poreus Si interface te passeren, wat de contactweerstand verhoogt en de totale elektrische geleiding verlaagt. Bovendien hebben andere factoren, zoals metastabiele gewaterstofde oppervlakte en natuurlijk oxide, effect op het elektrisch kenmerk van poreus Si, wat ook kan bijdragen aan de enorme dalingen van elektrische geleiding [35, 36]. Na de SOD-doping wordt ohmisch contact verkregen voor p- en n-type Si-substraten met gedopte poreuze Si, zoals de lineaire I–V curve getoond in Fig. 5a, en de elektrische geleidingen van p-type en n-type Si-substraten met gedopte poreuze Si-lagen nemen toe van 150 tot 1160 en 385 tot 1390 S/m, respectievelijk, zoals getoond in Tabel 1. De toename van elektrische geleiding resulteert voornamelijk uit de afname van de contactweerstand omdat de SOD-doping voornamelijk het oppervlak van poreus Si beïnvloedt. Na de SOD-doping worden dunne p⁺ of n⁺ poreuze Si-lagen gevormd op p- en n-type poreuze Si-lagen, respectievelijk, en de dragersconcentratie kan ongeveer 10¹⁹ cm⁻³ bereiken. Daarom kunnen elektronen tunnel door de interface tussen Al en gedopte poreuze Si ongeacht de potentiële barrière [37].

Om het elektrisch kenmerk van de testmonsters te evalueren, wordt de specifieke contactweerstand geëvalueerd op basis van de transmissielijnmeting (TLM) theorie, die gedefinieerd wordt als een contactweerstand per eenheidsoppervlakte [38]. In de TLM-theorie kan de totale weerstand R worden berekend door,

$$R = 2R_{c} + \frac{p_{i}}{A}L$$ (4)

waarbij R_c de contactweerstand is, p_i de interne resistiviteit van het monster, L de afstand tussen twee elektroden, en A het dwarsdoorsnede-oppervlak. De specifieke contactweerstand p_c kan gedefinieerd worden als p_c = R_c × A. Daarom kan vergelijking 4 geconverteerd worden door te vermenigvuldigen met oppervlak A in,

$$RA = 2p_{c} + p_{i} L$$ (5)

Wanneer de waarde L nadert tot 0, wordt R tweemaal de contactweerstand. Dus kan p_c geschat worden uit de relatie tussen RA (totale weerstand vermenigvuldigd met dwarsdoorsnede-oppervlak) en L, zoals getoond in Fig. 6. Dus kan de specifieke contactweerstand p_c verkregen worden uit de helft van de geëxtrapoleerde waarde bij L = 0. Aangezien de I–V curves niet-lineair zijn, kunnen de specifieke contactweerstanden van ongedopte poreuze Si niet gemeten worden. De berekende specifieke contactweerstanden van p- en n-type gedopte poreuze Si waren respectievelijk 1,35 en 1,16 mΩ-cm², terwijl p- en n-type bulk Si 1,88 en 1,25 mΩ-cm² was, respectievelijk. Dit resultaat toont aan dat p- en n-type gedopte poreuze Si lagere specifieke contactweerstand had dan p- en n-type bulk Si. Daarom, vergeleken met Si-substraat met ongedopte poreuze Si, is lagere contactweerstand tussen gedopte poreuze Si en metaal toe te schrijven aan de verbetering van elektrische geleiding van Si-substraat met gedopte poreuze Si.

Tabel 1 toont de vermogensfactor van p- en n-type bulk Si en Si-substraten met ongedopte en gedopte poreuze Si-laag. Hoewel de Seebeck-coëfficiënt van p- en n-type Si-substraten met poreuze Si allebei daalt via SOD-doping, neemt de vermogensfactor 4 keer toe tot 280 µW/(m K²) voor p-type terwijl het 2 keer toeneemt tot 320 µW/(m K²) voor n-type door de significante toename van de elektrische geleiding. In ons vorige onderzoek kan de ZT-waarde van Si-substraten met ongedopte poreuze Si 7,3 keer groter worden dan die van originele bulk Si door hogere Seebeck-coëfficiënt (670 µV/K) en lagere thermische geleiding (3,8 W/mK) [20]. Echter, verdere optimalisatie van ZT-waarde van Si-substraten met ongedopte poreuze Si wordt belemmerd door relatief lage elektrische geleiding. Lage thermische geleiding kan Si behouden zelfs door doping van Si omdat de warmtetransport voornamelijk wordt geregeld door fononen met een vrije baanlengte meer dan 100 nm, en dus wordt thermische geleiding voornamelijk verlaagd door de nanostrukturering met poreuze Si [39]. Bovendien kan de beste ZT waarde van materiaal meer dan 0,1 zijn bij kamertemperatuur wanneer de dragersconcentratie varieert van 10¹⁹ en 10²¹ cm⁻³ gebaseerd op de Boltzmann-transportvergelijking [40]. Daarom kan de geschatte ZT waarde van Si-substraten met gedopte poreuze Si verbeterd worden tot ongeveer 0,1 via SOD-doping, wat 5 keer groter is dan die van Si-substraat met ongedopte poreuze Si (0,02). Als gevolg wordt geconcludeerd dat Si-substraat met poreuze Si gevormd door MACE na SOD-doping de thermoelektrische prestaties verbetert.

Conclusies

Poreus Si werd gesynthetiseerd op hoog gedopte p- en n-type bulk Si met behulp van metaal-ondersteunde chemische etching (MACE). Oppervlaktedoping met spin-on-dopant (SOD) werd gebruikt voor het verbeteren van de elektrische eigenschappen van p- en n-type poreuze Si. Vergeleken met de p- en n-type Si-substraten met ongedopte poreuze Si (696 en 650 µV/K), daalt de Seebeck-coëfficiënt van de p- en n-type Si-substraten met gedopte poreuze Si tot 491 en 480 µV/K door de toename van de dragersconcentratie van de gedopte poreuze Si-laag. Vergeleken met de dragersconcentratie van p- en n-type bulk Si (2,25 × 10¹⁹ en 9,03 × 10¹⁸ cm⁻³), is de dragersconcentratie van p- en n-type ongedopte poreuze Si gedaald tot 1,3 × 10¹⁸ en 1,35 × 10¹⁸ cm⁻³ door het kwantumbeperkingseffect en groter oppervlakte, terwijl de dragersconcentratie van p- en n-type gedopte poreuze Si toegenomen is tot 4,6 × 10¹⁹ en 2,29 × 10¹⁹ cm⁻³ na de SOD-doping. Echter, SOD kan alleen gebruikt worden om dunne poreuze Si-film te dopen. Vergeleken met p- en n-type ongedopte poreuze Si, verhoogden p- en n-type gedopte poreuze Si de elektrische geleiding van 150 tot 1160 en 385 tot 1390 S/m door de afname van contactweerstand. Bovendien kan ohmisch contact verkregen worden in p- en n-type gedopte poreuze Si. De specifieke contactweerstand tussen poreuze Si en Al is gedaald tot 1,35 en 1,16 mΩ-cm², wat lager is dan de contactweerstand tussen bulk Si en Al door de toename van dragersconcentratie. Ondanks dat de Seebeck-coëfficiënt daalt, is de vermogensfactor van p- en n-type Si-substraat met gedopte poreuze Si toegenomen tot respectievelijk 280 en 320 µW/(m·K²), door de verbetering van de elektrische geleiding. Daarom verhoogt Si-substraat met poreuze Si gevormd door MACE na SOD-doping de elektrische geleiding en kan de thermoelektrische prestaties van poreuze Si verbeteren, wat verwacht wordt voor thermoelektrische toepassing in te zetten.

Beschikbaarheid van data en materialen

De datasets die gebruikt en/of geanalyseerd zijn tijdens de huidige studie zijn beschikbaar bij de corresponderende auteur op redelijke verzoek.

Afkortingen

Si:

Silicium

MACE:

Metaal-ondersteunde chemische etching

SOD:

Spin-on dopant

FE-SEM:

Veldemissie scanning elektronenmicroscopen

RIE:

Diepe reactieve ionen etching

TEOS-CVD:

Tetraethoxysilaan chemische dampafstelling

TLM:

Transmissielijnmeting